Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ способов построения сети абонентского доступа ГТС 14
1.1. Сравнение способов уменьшения затрат на сеть абонентских линий 14
1.2. Анализ способов построения и методов оптимизации сети абонентского доступа ГТС 17
1.2.1. Способы построения сетей абонентского доступа 17
1.2.2. Функции сети абонентского доступа в современной системе электросвязи 18
1.3. Классификация средств абонентского доступа 23
1.3.1. Проводные средства абонентского доступа 23
1.3.2. Беспроводные средства абонентского доступа 23
1.4. Анализ методов оптимизации сети абонентского доступа ГТС 39
1.4.1. Методы выделения районов обслуживания 39
1.4.2. Оптимизация топологии сети абонентского доступа 40
1.4.3. Анализ методов решения задачи целочисленного линейного программирования с двоичными переменными 41
Выводы по главе 1 44
Глава 2. Анализ условий применения средств абонентского доступа и концентрации абонентской нагрузки на городских телефонных сетях 46
2.1.Постановка задача 46
2.2. Анализ условий применения средств проводного абонентского доступа 47
2.2.1. Области применения физических линий на сети абонентского доступа 47
2.2.2. Классификация технологий цифровых абонентских линий по витой паре 53
2.2.3. Условия применения технологии DSL 54
2.2.4. Условия применения технологии HDSL 56
2.2.5. Условия применения технологии ADSL 59
2.3. Анализ капитальных затрат на линейно - кабельные сооружения сети абонентского доступа 63
2.4. Технико - экономическая оценка целесообразности применения концентраторов 70
Выводы по главе 2 76
Глава 3. Разработка метода размещения устройств абонентского доступа с распределением между ними оконечных устройств 77
3.1. Содержательная постановка задачи 77
3.2. Математическая постановка задачи 79
3.3. Алгоритм размещения устройств абонентского доступа и распределения между ними оконечных устройств 86
3.3.1. Общая схема алгоритма 86
3.3.2. Описание алгоритма 87
3.4. Упрощённая постановка задачи 94
3.5. Возможная модификация постановки задачи 96
Выводы по главе 3 98
Глава 4. Программная реализация метода размещения устройств абонентского доступа и распределения между ними оконечных устройств 100
4.1. Определение оптимального числа концентраторов абонентской нагрузки в районе телефонизации 100
4.2. Разработка алгоритма программы ввода исходных данных и вывода результатов 104
4.2.1. Обоснование необходимости разработки программ ввода исходных данных и вывода результатов 104
4.2.2. Построение вектора линейной формы с,х 104
4.2.3. Построение вектора В и матрицы ограничений D 108
4.2.4. Вывод информации в файл в формате Фортран 113
4.2.5. Инструкция по работе с программой ввода исходных данных и вывода результатов 115
4.3. Разработка алгоритма программы проведения расчётов 116
4.4. Инструкция по работе с программой проведения расчётов 118
4.5. Анализ результатов расчётов на ПЭВМ по размещению концентраторов и распределению между ними оконечных устройств 122
Выводы по главе 4 124
Заключение 125
Список литературы 127
Приложение 1. Результаты расчётов капитальных затрат на абонентские и соединительные линии ГТС 138
Приложение 2. Подготовка исходных данных контрольного примера и его решение на ПЭВМ 146
Приложение 3. Текст программы ввода исходных данных и программы проведение расчётов 150
Приложение 4. Акт об использовании результатов диссертационной работы. 167
- Беспроводные средства абонентского доступа
- Области применения физических линий на сети абонентского доступа
- Описание алгоритма
- Инструкция по работе с программой проведения расчётов
Беспроводные средства абонентского доступа
По типу среды передачи средства абонентского доступа делятся на проводные и беспроводные (рис. 1.2) [92-95].
В последние годы на АЛ все шире начали применяться системы передачи, использующие в качестве направляющей среды витые пары, коаксиальные и оптические кабели.
Физические абонентские линии. На ГТС наиболее распространенными являются индивидуальные абонентские линии, однако на некоторых сетях еще имеет место спаренное включение телефонных аппаратов (ТА). Как показывают расчёты, применение спаренного включения оказывается выгодным по затратам , начиная с расстояния 0,3-0,5 км от АТС[3-7]. Данный способ снижает расход кабеля, но является неудобным для абонентов.
Существующие нормы и требования, предъявляемые к аналоговым физическим абонентским линиям, приведены в [2-8].
С использованием систем передачи.
Витые пары. Упрощенные прогнозы типа того, что в ближайшее время оптические кабели повсеместно вытеснят медные кабели, оказались не состоятельными. Действующие междугородный (IS 11801) и европейский (EN50173) стандарты на структурированные кабельные системы в будущем дополнятся спецификациями на кабели из витых медных пар категории 6 и 7 . Кабельные системы на медных витых парах будут развиваться и далее. В последние годы разработано несколько новых методов линейного кодирования для организации цифровых трактов по обычным медным кабелям. Такие технологии, как xDSL (цифровые абонентские линии) нашли широкое применение в обычной телефонной связи, в сетях доступа с интеграцией служб и в сетях передачи данных (ПД).
Коаксиальные кабели. У коаксиального кабеля (КК) защита лучше , чем у медной пары, поэтому сообщения могут передаваться на большие расстояния с большими скоростями.
Конструкция защиты КК позволяет использовать его при работе с широким спектром частот, обеспечивая защиту от шумов при большой длине кабеля. КК является наиболее распространенной средой, используемой для передачи радиочастотных сигналов [9]. В настоящее время коаксиальный кабель относительно недорог. Типичная скорость ПД для современных КК составляет 10 Мбит/с.
Волоконно-оптические кабели. Оптический кабель обладает наилучшими показателями с точки зрения пропускной способности при телефонизации новых районов застройки.
Оптические кабели на абонентском участке подразделяются на несколько категорий:
- FTTB (Fiber to the Building) - оптика до здания; - FTTO (Fiber to the Building office) - оптика до офиса;
- FTTZ (Fiber to the Building zone) - оптика до некоторой зоны, где группируются абоненты.
Все три направления сходны в одном - довести широкополосную оптическую линию связи до некоторой точки, где целесообразно разместить оборудование, распределяющее более низкоскоростные цифровые потоки непосредственно до оконечных устройств.
Современное оборудование для построения сети доступа является универсальным с точки зрения использования в различных средах передачи. Оптический кабель обладает наилучшими показателями с точки зрения цены и пропускной способности при телефонизации новых цифровых районов застройки.
Оптическое волокно имеет ряд достоинств:
- широкая полоса пропускания. Это дает возможность передачи по одному оптическому волокну потока данных в несколько теробайт в секунду;
- высокая помехозащищенность;
- малый вес и объем;
- длительный срок эксплуатации.
Оптические волокна делятся на две основные группы: многомодовые, одномодовые.
В [48-50] показаны характеристики волоконно-оптических кабелей по стандартам ANSI/TIA/EIA-568A и ICO/IEC 11801 .
Волоконно-оптический кабель должен иметь, как минимум, два волокна в защитной оболочке. Для решения задач построения современных широкополосных абонентских сетей, охватывающих жилые зоны районов города или сельской местности, разработано несколько концепций.
Гибридная волоконно-коаксиалъная сеть (HFC). Эта сеть строится на основе коаксиальной и волоконно-оптической кабельных систем (ВОК) [51-53]. Сеть HFC менее дорогая по сравнению с сетью, в которой волокно идет непосредственно в каждый дом (FTTH) Только средние и крупные предприятия могут позволить себе доведение волокна непосредственно до офиса. В то же время сеть HFC представляет значительно больше услуг, чем традиционные чисто коаксиальные телевизионные сети. К таким услугам относятся:
- видео сервис;
- телефония;
- интерактивные службы; службы ЦЦ и др.
Назначение волокна в сетях HFC во многом то же, что и в телефонных сетях, где на основе ВОК строятся более протяженные магистральные линии связи между районными АТС. В сетях HFC максимальная длина ВОК зависит от используемой длины волны (1359 или 1550 нм) и может варьироваться от 30 до 100 км [53,54]. Общая полоса пропускания (от 5 до 862 МГц) HFC - сети делится на полосы приема (к абоненту) и передачи (от абонента). Частотный диапазон для приема составляет от 47 до 862 МГц , для передачи - от 5 до 30 МГц.
Максимальное число усилителей в коаксиальной ветви варьируется от 4 до 10 в зависимости от архитектуры сети. Максимальное число абонентов в расчете на один магистральный ВОК составляет от 500 до 3000. Принципиальным отличием таких сетей от традиционных коаксиальных абонентских кабельных сетей является двунаправленность передачи, то есть появляется поток от абонентов к коммутационному узлу - исходящий поток.
В настоящее время появилась концепция построения сети абонентского доступа на базе волоконно - коаксиальных распределительных сетей [10-11].
Принципы функционирования такой единой сети абонентского доступа приведены в [12]. Волокно в уличный монтажный шкаф (FTTC) обеспечивает один из простейших и менее дорогих способов построения сети и предоставления новых услуг абонентам. В FTTC ВОК из центрального узла приходит в монтажный шкаф (crub). Монтажный шкаф может быть как уличного исполнения, так и для установки внутри помещения. От шкафа к абонентам идут витые пары. В отличие от телефонных пар, эти витые пары имеют лучшие технические характеристики и значительно меньшую длину (до 100м), что обеспечивает им высокую пропускную способность (до 100 Мбит/с и более), поэтому открывается возможность новым интерактивным услугам, среди которых , услуги Интернет, видеоконференции и так далее [51-55].
Волокно в квартире или офисе (FTTH). В настоящее время концепция FTTH безусловно является самой дорогой. В этой концепции волокно от головного узла следует непосредственно в квартиру абонента. На пути могут устанавливаться пассивные оптические распределительные кроссы, которые «дробят» многожильные ВОК в кабели с меньшим числом волокон, в частности, двужильные. В настоящее время появилась универсальная платформа, объединяющая в себе возможности всех современных технологий САД [81]. Построение полностью оптической сети стало возможным благодаря появлению новой технологии WDM (мультиплексирование с разделением по длине волны или спектральное уплотнение) [104,105]. При традиционной волоконно - оптической передаче используется спектр одной волны, а при технологии WDM спектр множества длин волн комбинируется в один мультиплексируемый сигнал для передачи его по волокну . Главная цель WDM - существенно повысить пропускную способность волокна.
Области применения физических линий на сети абонентского доступа
Как отмечалось в первой главе диссертации, все средства абонентского доступа по виду среды передачи могут быть разделены на 2 класса: проводные и беспроводные . В свою очередь, класс проводных средств по конструкции кабелей может быть разделен на следующие виды:
- медные пары (аналоговые двухпроводные абонентские линии);
- витые пары;
- коаксиальные кабели;
- оптические кабели;
- гибридные (волоконно-коаксиальные).
В зависимости от типа кабелей используются различные технологии передачи. Так, по медным парам могут быть организованы физические АЛ или системы абонентского уплотнения (АВУ) [6] .Уплотнение АЛ - это увеличение пропускной способности физической цепи по крайне мере в 3 раза и более.
При проектировании сети абонентских линий важно учитывать следующие характеристики аналоговых двухпроводных абонентских линий:
- на существующей аналоговой АТС затухание абонентской линии на частоте 1000 Гц не должно превышать 6 дБ для кабелей с диаметрами жил 0,4; 0,5; 0,64 мм и 4 дБ для кабелей с диаметром жил 0,32 мм [2];
- АТС должна обеспечивать работу по сигналам взаимодействия с телефонными аппаратами (ТА) при сопротивлении шлейфа АЛ, включая сопротивление ТА до 1800 Ом и при электрической емкости между проводами и между каждым проводом и землей не более 0,5 мкФ;
- сопротивление изоляции между проводами и между каждым проводом и землей должно быть не менее 20 кОм; - характеристики АТС на стыке с аналоговой АЛ должны соответствовать параметрам стыка СТФ2 ОСТ 45.54-96 ;
- ток питания микрофонной цепи должен быть в пределах от 18 до 70 мА. Рекомендуемая величина тока питания в шлейфе АЛ в режиме разговора должна быть от 25 до 40 мА;
- сопротивление шлейфа (короткозамкнутой цепи проводов а и b абонентской линии) должно быть не более 1000 Ом, для удалённых абонентов не более 2000 Ом.
По двухпроводным аналоговым АЛ включаются следующие типы оконечных устройств:
- ТА с выдачей импульсов набора номера разрывом шлейфа АЛ;
- ТА с частотным способом передачи номера;
- таксофоны местной и междугородной связи ;
- районные переговорные пункты;
- устройства передачи данных и факсимильных сообщений (через модем);
- малые У АТС, подключаемые на правах абонентов.
При развертывания сети в регионах со сложившейся кабельной инфраструктурой большое значение имеет организация цифровых трактов на медных парах по технологии xDSL (ЦАЛ). Наконец, в сельских и труднодоступных районах ключевое значение имеют радиорелейные линии и спутниковые каналы связи.
Ниже при анализе условий применения различных технологий на сети абонентского доступа в качестве основного критерия используются стоимостные показатели, а в качестве ограничений области применения -электрические параметры.
Электрические параметры абонентских линий по сопротивлению и емкости нормируются для каждого типа оборудования АТС [2,25]. Необходимость предоставления абонентам новых услуг, например, таких как ЦСИС, изменили требования к абонентским линиям. Помимо указанных выше показателей важнейшим является скорость передачи.
Прогнозы о том, что в ближайшее время оптические кабели вытеснят медные, оказались не состоятельными. По некоторым оценкам кабели связи с медными жилами будут эксплуатироваться на сетях абонентского доступа еще длительное время [25,26].
Рассмотрим возможность использования витых пар различных технологий и область их применения.
При строительстве сетей электросвязи внутри здания следует использовать комплекс кабелей, сконструированных на базе основного элемента - «витая пара». Эти кабели предназначены для прокладки на участке от распределительной коробки до розетки, внутришкафных соединений между плинтами боксов распределительных шкафов. Конструкция кабелей предусматривает включение их в оконечные устройства с плинтами с щелевыми контактами. Электрические параметры этих кабелей подробно рассматриваются в [29].
Ассоциация электронной промышленности (EIA) разделила неэкранированные витые пары (UTP) по качеству на следующие категории [27]:
- кабели категорий 1 и 2 обычно служат для речевых коммуникаций и могут поддерживать лишь невысокие скорости передачи данных (ПД) (менее 4 Мбит/с) [109];
- кабели категории 3 подходят для компьютерных сетей. Кабели этой категория обеспечивают передачу сигналов со скоростью до 16 Мбит/с. Именно эта категория используется сегодня в большинстве цифровых телефонных систем;
- кабели категории 4 позволяют передавать данные со скоростью до 20 Мбит/с;
- кабели категория 5 гарантируют передачу сигнала с частотой до 100 Мгц и со скоростью 155 Мбит/с; кабельные линии улучшенной категории 5 используются для обеспечения более надежной передачи. Ведется работа по созданию стандартов на кабели категории 6 (200-250 Мгц) и 7 (до 600 Мгц ).
Опыт сооружения местных сетей связи показывает, что линии между отдельными зданиями, имеющими большой объем компьютерного, телефаксного, телефонного и другого оборудования, наиболее целесообразно выполнять оптическими кабелями связи, а внутреннюю проводку -высокочастотными медными экранированными кабелями, которые можно использовать для передачи голоса, данных, изображений.
Сеть абонентского доступа включает в себя совокупность абонентских линий и средств переноса . Чаще всего АЛ ассоциируется с индивидуальной двухпроводной цепью, обеспечивающей обмен информацией в полосе пропускания тональных частот [30,32].
Средства переноса служат для повышения эффективности средств абонентского доступа. Таким образом, АЛ следует рассматривать как среду передачи, обеспечивающую функционирование сети переноса. Физические параметры линий должны удовлетворять требованиям соответствующих интерфейсов и отраслевому стандарту ОСТ И5.81-97 "Электромагнитная совместимость цепей передачи дискретных и аналоговых сигналов местных сетей электросвязи".
Нормы технологического проектирования городских и сельских телефонных сетей рекомендуют на распределительных участках местных сетей связи следующие типы кабелей [2]:
- кабели в полиэтиленовой оболочке с гидрофобным заполнением;
- провод телефонный распределительный с медными жилами с полиэтиленовой изоляцией (ТРП), диаметр жил 0,4 и 0,5 мм, область применения: для стационарной скрытой и открытой абонентской проводки телефонной распределительной сети внутри помещений и по наружным стенам зданий;
- не рекомендуется использовать кабели с диаметром жил 0.32мм. Область применения остальных основных марок кабелей и проводов с медными жилами, рекомендуемых для применения на местных сетях связи, приведен в [28]. В табл. 2.1 и на рис.2.1 показаны условия применения кабелей различных категорий, коаксиальных кабелей (КК), волоконно - оптических кабелей (ВОК) на абонентских линиях различной протяженности.
При применении большинства существующих технологий, кабели UTP поддерживают передачу данных от 1 до 155 Мбит/с на расстояние до 100 метров [28]. Экранированные витые пары (STP) уменьшают влияние внешних помех. Теоретически STP позволяют передавать сигналы со скоростью 500 Мбит/с на расстояние доЮО метров[77-80].
Описание алгоритма
Особенности алгоритма Балаша можно легко понять, если сравнить его с полным перебором всех имеющихся решений.
Алгоритм Балаша отличается от полного перебора тем, что он даёт возможность получить оптимальное решение, исследовав лишь некоторые из ветвей дерева решений, отбросив большинство из них . Исходя из вершины, в которой все п переменных равны 0, алгоритм систематическим образом приписывает значение 1 некоторым из переменных, при этом после проверки лишь малой части всех 2" возможных решений либо достигается оптимальное решение, либо становится очевидным, что не существует допустимого решения. Другими словами, правила алгоритма позволяют отбрасывать те ветви дерева решений, которые не могут привести к допустимому решению, лучшему, чем уже полученное. Для описания алгоритма задачу (3.43) - (3.45) представляют в несколько иной форме, а именно, неравенства (3.44) путем введения вспомогательных переменных (т - мерный неотрицательный вектор у) обращают в равенства.
Вектор и = (х, у) (п + т) -мерный называется решением, если он удовлетворяет (3.48) - (3.49) ; допустимым решением, если он удовлетворяет (3.48) - (3.50); оптимальным допустимым решением, если он удовлетворяет (3.48)-(3.51).
Алгоритм заканчивается, если получено решение и, для которого:
- выполняется ситуация 5 а или
- имеется ситуация 6а, причем (3.64) не выполняется ни для какого & , такого, что Nk = 0, или
- имеет место ситуация 7Ь и к р = 0.
Программная реализация этого алгоритма выполнена на ВЦ МГУ [106] и использована в данной работе в качестве основы при разработке программы для ПЭВМ по размещению устройств абонентского доступа и распределению между ними оконечных устройств.
Для отладки последней необходимо было решить контрольный пример. В приложении П2 приведены исходные данные контрольного примера. В следующем разделе приведена упрощенная постановка задачи, которая использована для контрольного примера.
Инструкция по работе с программой проведения расчётов
Запуск программы . Программа проведения расчётов предназначена для поиска минимума линейной формы Цх) = с,х , когда вектор х определен на множестве нулей и единиц, т. е. компоненты вектора х могут принимать только два значения: 0 или 1.
Программа проведения расчётов использует алгоритм Балаша. Для того, чтобы запустить программу , необходимо вызвать Norton commander , или Windous commander и найти файл с именем U_tmnr3r.exe. Установить на нем указатель мыши и нажать два раза. После этого программа выдаст сообщение : "Введите имя входного файла".
Этот файл должен содержать исходные данные для проведения расчетов. В контрольном примере этот файл называется H3.txt. Получив имя входного файла, программа запросит имя выходного файла: "Введите имя выходного файла".
Этот файл после завершения работы программы будет содержать результаты расчетов, проводимые программой.
После того, как программа получит имена этих файлов, она считает входную информацию из входного файла и выдаст результаты расчетов в выходной файл.
Описание входного файла. Исходные данные для программы во входном файле формируются следующим образом. Первая строка содержит переменные М и N. М - это число строк в матрице ограничений, N - это число переменных в линейной форме.
Обе эти переменные - целочисленные величины и состоят из трех знаков. При этом, если число содержит меньше значащих цифр, то оно дополняется слева пробелами.
Следующие строки содержат вектор правых частей в матрице ограничений. Это вещественные числа , каждое из которых состоит из десяти значащих цифр. При этом два последних знака обозначают десятичную часть числа. Как и в первом случае, если число содержит меньше десяти значащих цифр, то оно дополняется до десяти пробелами слева. При этом каждая строка (кроме последней) должна содержать по пять чисел.
Далее вводятся коэффициенты линейной формы. Формат их ввода точно такой же, как и формат ввода столбца с правыми частями матрицы ограничений.
Далее вводятся строки с информацией о том, сколько ненулевых элементов содержит матрица ограничений А по столбцам. Первый элемент в этой строке обозначает число ненулевых элементов в первом столбце матрицы А. Второй элемент - это число ненулевых элементов во втором столбце и т. д.
Каждый элемент должен содержать три знака, включая пробелы, а каждая строка (кроме последней) должна содержать по пять чисел.
Далее вводится все ненулевые элементы матрицы ограничений А. Делается это следующим образом. Ввод осуществляется по столбцам, т. е. сначала вводятся все ненулевые элементы первого столбца, затем - второго и т. д. Каждая строка ввода содержит по два элемента. Первый элемент - это номер строки в матрице А, второй элемент - это значение самого элемента матрицы. Номер элемента содержит три знака, а значение элемента состоит из десяти знаков, причем два последние описывают десятичную часть числа.
В последней строке входного файла содержится вещественная переменная Р. Эта переменная занимает семь позиций, причем, две последние позиции отведены под десятичные знаки.
Описание выходного файла. Выходной файл содержит результаты расчета по программе. В него записывается информация из входного файла. Это нужно для того, чтобы определить, к каким исходным данным относится результат.
Значение линейной формы содержится в строке, начинающейся с буквы Z Строка, начинающаяся с обозначения NX, содержит номера элементов в векторе х, значения которых равны 1 (все остальные компоненты этого вектора равны 0).
На рис.4.7 приведена блок - схема программы проведения расчётов.
Тексты программы ввода исходных данных и вывода результатов, программы проведения расчётов приведены в приложении ПЗ.
